含负折射率材料1 维光子晶体的偏振无关非全向的缺陷模

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1、第２２卷第８期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８２０１０年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１０文章编号：１００１４３２２（２０１０）０８１７２３０４含负折射率材料１维光子晶体的偏振无关非全向的缺陷模罗朝明１，２，唐志祥１，曹始明１，刘靖２，文双春１（１．湖南大学计算机与通信学院，微纳光电器件及应用教育部重点实验室，长沙４１００８２；２．湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳４１４００６）摘要：运用光学传输矩阵理论，研究了含负折射率材料１维光子晶体缺陷模的偏振特性。结果显示

2、，零均折射率带隙中缺陷模对入射角和偏振有较强的依赖。通过对缺陷层参数的优化设计，得到了一系列的偏振无关非全向缺陷模，这是传统１维光子晶体中不能出现的。应用这些缺陷模，设计了低通、高通、带通空间滤波器。与传统光子晶体空间滤波器相比，这些空间滤波器具有偏振无关的优点。关键词：光子晶体；负折射率材料；偏振无关缺陷模；空间滤波器中图分类号：Ｏ４３６文献标志码：Ａ犱狅犻：１０．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１０２２０８．１７２３［１２］在过去的十多年里，由于其独特的光学特性及其潜在应用价值，光子晶体引起了人们的广泛关注。光子晶体是由不同电介质

3、材料周期排列而成的，具有较强的时间和空间色散特性。利用光子晶体设计出了许多［３１０］性能优良的器件如滤波器、光开关、空间滤波器等。但传统光子晶体（仅由正折射率材料构成）对入射角和偏振极为敏感：随着入射角的增加缺陷模都会蓝移，并且不同偏振光在光子晶体内传播具有不同的能带结构。因此利用传统光子晶体制作的器件都是偏振相关的，这些都大大限制了光子晶体器件的应用范围。最近，由［１１１２］Ｖｅｓｅｌａｇｏ在理论上提出的负折射率材料已成功实现，迅速成为当今前沿领域中一个十分活跃的研究课题。若将负折射率材料引入到光子晶体中制成新型光子晶体，

4、具有着许多新颖特性，有望改善光子晶体器件的［１３］性能。由正负折射率材料交替排列组成的１维光子晶体产生了一种新的带隙即零均折射率（ｚｅｒｏ狀珔）带隙。随着缺陷层的引入，在ｚｅｒｏ狀珔带隙中出现缺陷模，与在Ｂｒａｇｇ带隙内缺陷模相比，该缺陷模的频率随入射角和［１３］偏振变化量相对较小。进一步研究发现，若考虑缺陷模所处的频率位置的影响，这种缺陷模和Ｂｒａｇｇ带隙内［１４］缺陷模一样对入射角和偏振变化很敏感，不能被忽略。但负折射率材料的引入使缺陷模可以更好地得到控［１５］制利用，Ｃｈｅｎ等在正负交替的光子晶体的ｚｅｒｏ狀珔带隙中

5、设计了全向偏振无关的缺陷模，Ｘｕ等在含负折射［１６］率层的光子晶体的Ｂｒａｇｇ带隙中产生了全向偏振无关的缺陷模。基于这些缺陷模的光开关、滤波器等器件消除了偏振和入射角的影响，即一方面降低了对光源偏振态的要求，另一方面也抑制了空间色散特性的影响，从而大大地提高了器件效率。但空间滤波器等器件则需要利用光子晶体空间色散特性，为了克服传统光子晶［６１０］体空间滤波器偏振相关的不足，需要取得偏振无关非全向的光子晶体带隙或缺陷模。本文在详细研究含负折射率材料的１维光子晶体偏振特性的基础上，实现了偏振无关非全向的缺陷模。并应用这种缺陷模良好

6、的空间特性，设计了偏振无关的低通、高通、带通空间滤波器。１物理模型犖犖，相应的实际厚度分别为犱，如图１所示，由Ａ，Ｂ，Ｃ３种不同材料组成的１维光子晶体（ＡＢ）Ｃ（ＢＡ）Ａ犱Ｂ，犱Ｃ，其中Ａ层为正折射率材料，Ｂ层为负折射率材料，Ｃ层为正折射率材料缺陷层，介电常量分别为εＡ，εＢ，εＣ，磁导率分别为μＡ，μＢ，μＣ，折射率分别为狀Ａ，狀Ｂ，狀Ｃ。［１３］假定负折射率材料是各向同性和色散的，其介电常量和磁导率分别表示为εα（１）Ｂ（ω）＝ε－２ω收稿日期：２００９１１１７；修订日期：２０１００１２９基金项目：国家自然科学基金

7、项目（１０６７４０４５）；湖南省自然科学基金项目（０８ＪＪ３１２１）作者简介：罗朝明（１９７７—），男，博士研究生，讲师，主要研究方向为新型光子材料及其功能器件；ｌｕｏｚｈａｏｍｉｎｇ２００８＠１６３．ｃｏｍ。通信作者：文双春（１９６６—），男，博士生导师，教授，主要从事微结构光子学及器件、高功率激光技术及应用等；ｓｃｗｅｎ＠ｈｎｕ．ｃｎ。１７２４强激光与粒子束第２２卷（ω）＝β（２）μＢμ－２ω研究选用的负折射率材料参数ε＝１．２１，μ＝１，犱Ｂ＝６ｍｍ，电等离子频率槡α和磁等离子频率槡β都是１０ＧＨｚ（即α＝２），正折射率物

8、质的折射率为狀，β＝１００ＧＨｚＡ＝２，厚度犱，周期数犖＝６。为了取得偏振μＡ＝１Ａ＝１２ｍｍ［１３１６］不相关的缺陷模，本文利用传输矩阵方法分析研究了这个有限周期的１维光子晶体的结构。Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｏｎｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｅｆｅｃｔ